可穿戴式心率传感器模块的优化应用*

，，，

(1.清华大学，北京 100084；2.湖北文理学院；3.郑州升达经贸管理学院运动与健康研究所)

引 言

随着科学技术的发展，包括电子传感器在内的各类芯片[1-3]都朝着小型化、低成本、低功耗的方向发展，为智能化运动负荷检测设备的发展提供了硬件平台，也为便携式智能设备的发展提供了生长的土壤。可穿戴式电子传感器将人体的生理活动信号转变成可视的电信号，在临床诊断、健康评估、健康监控等领域拥有很大的应用潜力[4-6]，而心率是评价人体运动负荷的客观指标，是制定和安排运动量的科学依据。在运动中，准确的测量心率对更好地评价运动负荷和运动效果具有重要的意义。

1 可穿戴式心电、心率传感器

传统的心电信号采集设备是由分立元件为主组成的，包括仪表放大器、运算放大器、滤波器、模/数转换器、电阻电容等。多年来，这样的设备被广泛运用于临床，但是由于设备体积大、功耗大，应用环境受到一定的限制，而可穿戴式心电信号采集装置大大减小了体积和功耗[7-9]，所以研究用于心电信号采集的专用集成电路，成为近年来的一个热点。

电子技术的发展使心电传感器的性能得到快速提升，集成化、数字化程度越来越高。表现出以下几个显著的特点：①硬件上从分立元件到小规模集成电路，再到高集成度的多功能集成电路；②信号方面从模拟信号输出向数字信号输出发展；③在信号传送方面从有线向无线方向发展。另外在功耗和稳定性方面也有显著的改进。BMD101可穿戴式心率、心电传感器是近年推出的具有代表性的传感器芯片。该心电传感器的一个显著特点是双电极(去掉了常规心电传感器必需的右腿驱动电极)，而且功耗极低，有利于连续、长时间地监控应用。然而，在实际应用中，常会遇到设计效果不够理想的状况，针对这个问题，本文重点讨论BMD101心电传感器的优化应用以及BMD101心电模块设计中的关键点，试图为使用者提供参考。

2 BMD101心电模块的优化应用

2.1 BMD101心电传感器芯片

图2 用BMD101设计心电采集小系统的原理框图

微电子技术的创新、应用和发展，将芯片的高性能、高集成度、小型化、智能化进一步提高，BMD101是Neurosky的心电传感器，在一个芯片上高度集成了心电采集前端和数字信号处理单元，其耗电0.8 mA，内置1.2 V稳压器LDO，采用SON8封装，芯片尺寸为3 mm×3 mm×0.6 mm，还具有二极管静电保护、4 kV接触放电、8 kV隔空放电特性，有利于做成可穿戴的嵌入式设备[10-11]。

BMD101心电传感器芯片自带集成模拟前端放大器、50 Hz陷波器、100 Hz低通滤波器。DSP数字信号处理器加速了片上系统管理单元的各种数字滤波的计算时间。此外芯片还有传感器脱落自动检测和16位高精度A/D转换器。芯片每秒恒定输出513帧数据，其中512帧为数据帧，第513帧则是一个多信息组合帧，这一帧有22个字节，包含了当前信号的质量、计算出的每分钟心率值等多种信息。

2.2 BMD101的PC客户端演示软件

Neurosky提供了一个BMD101心电传感器的PC客户端演示软件，默认的数据通道是通用串行接口，在不具备串行接口的PC机上可以用USB转串口的方式实现硬件串行接口通道。由BMD101心电传感器采集的心电实时数据通过串行接口数据通道以特定的格式传送到PC计算机，就能在计算机屏幕上显示图1所示的波形。

图1 在PC计算机上显示的心电波形

遗憾的是多数用户虽然使用Neurosky提供的PC客户端软件，并不能很容易地获得图1这样理想的心电波形，究其原因，主要集中在硬件设计的各个环节上，而不是芯片自身。解决这个问题的关键是要根据BMD101心电传感器的特点，有针对性地进行优化设计，以期获得较好的应用效果[8]。

2.3 BMD101心电传感器模块的优化应用

BMD101心电模块的应用设计与几个关键点密切相关，处理不当有可能无法采集到正常的心电数据[2]。下面以心电采集信号实时发送给PC计算机的一个微系统的设计应用为例，探讨模块的优化应用方法。图2是运用BMD101心电传感器设计的一个小系统的原理框图。

用BMD101设计心电采集小系统的原理框图分为几个单元：第一个是以BMD101为核心的心电采集单元；第二个是数据通信与隔离单元；第三个是电源供给与隔离单元。以上几个单元实现了心电采集与PC计算机在空间上的隔离，同时又完成了心电采集与PC计算机二者之间的数据通信，在很大程度上排除了PC计算机对心电采集系统的干扰。

2.3.1 从PC机USB端口取电的方法和抗干扰措施

PC计算机的USB端口除了作为数据通道之外，还可以提供5 V/0.5 A的电源给用户使用，在图3中，IC3是一个可编程电流限制芯片，通过调节R7的阻值，能够实现控制0～0.5 A范围内的供电电流上限，以保护功率过电流和因外围短路损坏PC计算机的USB供电回路。芯片上集成有过温保护和关机时输出电容放电保护，在输出高于输入电压时，SY6280自动关机，以阻止电流从输入端到输出端。

图3 USB端口供电限流保护与电源隔离

F0505S是一个能够将DC 5 V变为DC 5 V的小型隔离电源，既解决了用户系统的供电问题，又防止了PC机的系统干扰串入用户系统。实验结果表明，直接用笔记本内的直流电源供电，效果会比普通兼容机和品牌机都要好。F0505S具有可持续短路保护功能，效率高达 83%，隔离电压为1500 V DC 。

2.3.2 通过USB端口向PC机进行数据传送的抗干扰措施

图4中，PC计算机的USB端口除了5 V电源之外，还可以提供一个数据通信通道给用户使用，同样，为了在空间上与PC计算机隔离，这里使用了ADUM4160芯片，以确保从用户系统传送给PC机的数据纯净度。ADUM4160将高速CMOS的工艺与芯片级变压器技术相结合，具有优异的工作性能，并且隔离电压为5 kV，高共模瞬变抗扰度大于25 kV/μs。

图4 USB数字信号隔离

2.3.3 心电电极的选择与应用

图5 心电电极的使用

Neurosky对心电传感器电极片推荐不锈钢和氯化银材质，传感器电极片的最小直径为5 mm，建议传感器电极片的直径为10 mm。实际应用中电极片大于10 mm效果更好，也可以选择医用心电图电极，如图5所示。

传统的心电电极片大多基于金属材料，其便携性、柔韧性和可穿戴特性较差，从防震和运动应用的角度出发，建议选择柔性织物心电电极，这种电极已经是POLAR微型心率传感器模块的标配[3,11,12]。随着柔性电子材料和传感技术的快速发展，柔性织物心电电极片是一个优化的解决方案，越来越受到人们的关注，如图6所示。

图6 柔性织物心电传感器电极

柔性织物心电电极表面柔软，导电性能较好，最大的特点是在运动中与人体的接触面吻合度好，尤其在大量出汗的情况下效果更佳。

2.3.4 BMD101心电传感器在PC端用户软件的编程

Neurosky提供的客户端演示软件，不但实时显示心电信号波形，还能显示心率数值和心电信号质量、诊断电极脱落等，为用户诊断传感器模块提供了很好的条件，但是却没有提供与用户程序的衔接端口供用户二次开发。

初期实验中，将BMD101心电传感器每秒512帧的心电采集数据源同时送往两台计算机。其中一台计算机运行Neurosky客户端演示软件，在另一台计算机上运行用户自编程序。结果发现，同一数据来源下，两台计算机上显示的图像效果差异较大[7]，用户程序直接将BMD101的心电数据送到显示屏显示，形成的图像远达不到应用层面。

进一步深入研究和对比发现，在Neurosky客户端演示软件中嵌入了一个1009个数据组成的核心数据包，通过串行接口传送来的当前心电数据，在送往显示屏绘图显示之前，需要调用这个1009的核心数据包，经过运算后最终会生成一个新的心电图像素点。这1009个数据的核心数据包，具有较高的科技含量，是Neurosky公司针对BMD101心电传感器的特点研发的一个成果。参考应用的软件数据处理流程如图7所示。

图7 参考应用的软件数据处理流程图

2.3.5 BMD101的无线数据通信[1,3,8]

BMD101心电传感器模块的优化应用是基于有线数据通信的，采取优化应用的措施，可以确保心电采集数据的精度和稳定性。从可穿戴的角度考虑，还可以采用无线方法实现。基于BMD101心电传感器无线发送模块的原理框图如图8所示。

图8 BMD101心电模块无线应用框图

系统使用了无线发送模块进行数据传送，传输过程无需线缆介质，不受端口和连接线路约束，从根本上解决了PC机对BMD101心电传感器的串扰。无线通信方式可以选用WiFi、ZigBee、IrDA、UWB、蓝牙等。另一方面，无线设计中需要增加单片机和电池供电，在PC计算机一方，还需要搭建一个无线接收平台[10-11]。

结 语